Physique des plasmas

Dans l’interaction entre un rayonnement X ou laser et une cible de fusion, des couplages de modes au sein du plasma créé peuvent induire une grande variété d’instabilités, hydrodynamiques ou paramétriques, aux effets préjudiciables au rendement de la cible.

Simulation 3D d'interaction laser-plasma – crédit CEA

Mettant en œuvre des phénomènes non-linéaires et parfois cinétiques, ces mécanismes demandent une description théorique et numérique spécifique ainsi que leur mesure par des expériences. Ce chapitre traite de l’interaction laser-plasma selon les schémas d’attaque dite indirecte ou directe, et selon le principe de l’allumeur rapide exploitant les lasers Pétawatt.

Pour en savoir plus

Édition 2014

Diffusion Brillouin stimulée et autofocalisation dans des plasmas en détente Chocs Avancées 2014 / S. HÜLLER, D. PESME (Centre de Physique Théorique, CNRS, École Polytechnique, Palaiseau), P.-E. MASSON-LABORDE, S. DEPIERREUX, P. LOISEAU (CEA − DAM Île-de-France), C. LABAUNE (Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses - LULI UMR 7605 CNRS – CEA – École Polytechnique – Université Pierre et Marie Curie, Palaiseau), H. BANDULET (Institut National de la Recherche Scientifique, Varennes, Québec, Canada)

La compréhension des processus de diffusion Brillouin stimulée (DBS) et d'autofocalisation est cruciale pour la réussite des schémas de fusion par laser. Ces deux instabilités pouvant se développer en même temps, il est très important d’étudier la croissance de la DBS dans le plasma modifié par l’autofocalisation du faisceau laser. Un nouveau modèle théorique décrivant l’autofocalisation d’un faisceau laser dans un plasma en expansion est proposé, qui permet de reproduire et d'expliquer le comportement des instabilités paramétriques dans des expériences menées au laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI).

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Démonstration expérimentale des performances de cavités rugby sur OMEGA Chocs Avancées 2014 / F. PHILIPPE, V. TASSIN, P. GAUTHIER, P.-E. MASSON-LABORDE, M.-C. MONTEIL (CEA – DAM Île-de-France), S. ROSS, H.-S. PARK, B. LASINSKI, P. AMENDT (Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis)

La conversion du rayonnement laser en un bain thermique de rayons X s’obtient par chauffage d’une cavité, habituellement un cylindre d’or. Une comparaison expérimentale directe des performances d’une telle cavité classique avec la cavité en forme de ballon de rugby conçue par le CEA – DAM Île-de-France a démontré l’efficacité de cette dernière. Les mesures obtenues sur l’installation laser OMEGA indiquent que cette nouvelle géométrie permet d’atteindre des températures plus élevées tout en préservant de bonnes conditions d’interaction laser-matière. Ceci conduit à des implosions plus rapides, permettant de produire près de dix fois plus de neutrons que la géométrie cylindrique classique.

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Modélisation cinétique de l'allumage en FCI : une approche multi-échelle Chocs Avancées 2014 / B. PEIGNEY, O. LARROCHE (CEA – DAM Île-de-France), V. TIKHONCHUK (Centre lasers intenses et applications - CELIA, UMR 5107 CNRS – CEA – Université de Bordeaux 1, Talence)

Une méthode originale a été conçue pour modéliser le processus d'allumage de cibles de deutérium-tritium dans le contexte de la fusion par confinement inertiel (FCI). On cherche ainsi à décrire le phénomène d'ignition au niveau cinétique, par une approche de type Fokker-Planck appliquée à la fois aux ions thermiques du plasma et aux particules 􀁟 créées par réaction de fusion. La différence des échelles de vitesse entre les particules thermiques et les particules suprathermiques produites par fusion nous conduit à développer une stratégie multi-échelle consistant à traiter simultanément et conjointement les deux échelles caractéristiques. La méthode multi-échelle a donné naissance à un nouveau code cinétique « Fuse » (FPion Upgrade with two Scales of Energy), construit sur la base du code FPion [1].

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Coefficients de transport et pression hors équilibre thermodynamique local Chocs Avancées 2014 / G. FAUSSURIER, C. BLANCARD, P. COSSE (CEA – DAM Île-de-France)

Une méthode combinant les modèles d'atome moyen et d’équilibre collisionnel-radiatif est proposée pour calculer des coefficients de transport électronique ainsi que la pression de plasmas hors équilibre thermodynamique local.

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Édition 2012

Expériences d’instabilité Rayleigh-Taylor ablative en régime fortement non linéaire sur le National Ignition Facility Chocs Avancées 2012 / a. Casner, L. Masse, s. LiberaTore, b. deLorMe, L. JaCqueT, P. Loiseau (CEA - DAM Île-de-France), v. a. sMaLyuk, d. MarTinez, b. a. reMinGTon (lawrence livermore national laboratory, livermore, californie, usa)

La maîtrise du développement des instabilités hydrodynamiques de type Rayleigh-Taylor est cruciale pour la réalisation d’implosions performantes sur le Laser Mégajoule (LMJ). En présence d’un front d’ablation, la complexité de ces instabilités nécessite une validation expérimentale des modèles théoriques et des simulations numériques associées. Une proposition d’expériences à visée académique a été acceptée fin 2010 afin d’étudier sur le National Ignition Facility (NIF) le régime fortement non linéaire de l’instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) ablative. Elle devrait permettre d’atteindre pour la première fois en attaque indirecte un régime de compétition entre bulles. Le premier tir de cette proposition vient d’avoir lieu.

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Édition 2011
Vers la fusion thermonucléaire à gain par confinement inertiel avec l’allumage par choc Chocs Avancées 2011 / B. Canaud, S. Depierreux, S. Laffite, V. Brandon, G. Debras, C. Goyon, C. Rousseaux (CEA - DAM Île-de-France), M. Temporal (ETSIA, Universidad Politecnica de Madrid, Espagne), S. Baton, M. Koenig, C. Labaune (Laboratoire à l’utilisation des lasers intenses, LULI, École Polytechnique, Palaiseau), X. Ribeyre (Centre lasers intenses et applications, CELIA, UMR 5107 CNRS - CEA - Université Bordeaux 1)

La fusion thermonucléaire par confinement inertiel conventionnelle en attaque indirecte ou directe est un mécanisme à seuil utilisant un allumage isobare où les pressions dans le point chaud et le combustible froid s’équilibrent. L’implosion et l’allumage sont réalisés dans une même étape par un éclairement (laser ou rayonnement X) dimensionné pour assurer l’auto-allumage des réactions de fusion thermonucléaire dans le point chaud central à la fin de l’implosion.

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Édition 2010
Modélisation microscopique de la diffusion Raman Chocs Avancées 2010 / D. Bénisti, O. Morice, L. Gremillet (CEA - DAM Île-de-France), D. Strozzi (Lawrence Livermore National Laboratory, USA)

Dans les conditions typiques de densité et de température électroniques du Laser MégaJoule (LMJ), une estimation quantitative de la réflectivité Raman requiert un calcul précis du mouvement non linéaire de chaque électron du plasma, sous l’effet des ondes qui s’y propagent. Nous montrons ici comment tenir compte d’une telle non-linéarité, d’origine microscopique, pour décrire la propagation des ondes aussi simplement que si le plasma était un fluide, tout en estimant la réflectivité Raman aussi précisément qu’avec un code cinétique.

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Cible d’ignition et instabilités laser-plasma Chocs Avancées 2010 / S. Laffite, P. Loiseau (CEA - DAM Île-de-France)

La prise en compte des effets néfastes générés par l’interaction laser-plasma dès la conception des cibles d’ignition est indispensable pour assurer le succès des premières expériences de fusion sur l’installation Laser Mégajoule (LMJ). Pour la première fois, à l’aide de lois d’échelle et de simulations hydrodynamique-radiatives, des cibles d’ignition en attaque indirecte ont été conçues avec le souci constant de contraindre le design afin de limiter les instabilités laser-plasma responsables de ces effets. L’amplification de ces instabilités est directement proportionnelle à l’éclairement laser, donc aux dimensions des taches focales. Nous montrons que l’augmentation de la surface des taches focales ne permet pas de réduire proportionnellement les gains d’amplifications linéaires car l’optimisation globale de la cible impose des compromis qui modifient les conditions hydrodynamiques, celles-ci intervenant directement dans le calcul du gain.

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Édition 2009
Expériences d’instabilités Rayleigh-Taylor en attaque indirecte avec des cavités rugby Chocs Avancées 2009 / A. Casner, D. Galmiche, G. Huser, J.-P. Jadaud, A. Richard, S. Liberatore, M. Vandenboomgaerde (CEA - DAM Île-de-France)

La maîtrise du développement des instabilités hydrodynamiques de type Rayleigh-Taylor est primordiale pour la réalisation d’implosions performantes sur le Laser Megajoule (LMJ). En présence d’un front d’ablation, la complexité de ces instabilités nécessite une validation expérimentale des modèles théoriques et des simulations numériques associées. Une plate-forme dédiée, utilisant des cavités de conversion en forme de ballon de rugby, nous a permis de quantifier en géométrie plane le développement de différents types de défauts sinusoïdaux (2D monomodes ou multimodes, 3D) pour un ablateur représentatif de celui du LMJ. Historiquement, ces expériences débutées en 2002 ont été les premières à promouvoir la cavité rugby, maintenant filière nominale des cibles d’ignition pour le LMJ, et alternative pour l’ignition sur le National Ignition Facility (NIF).

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Dynamique et stabilité des structures à double front d’ablation Chocs Avancées 2009 / M. Olazabal-Loumé (CEA - CESTA, Centre Lasers Intenses et Applications CELIA), V. Drean, V.-T. Tikhonchuk (CELIA, UMR 5107 Université Bordeaux 1 - CNRS - CEA), J. Sanz (ETSI Aeronauticos, Université Polytechnique de Madrid, Espagne)

Dans les ablateurs de Ζ modéré, les effets radiatifs sont en concurrence avec la conduction électronique. La zone d'ablation présente alors une structure à deux fronts. Un nouveau modèle théorique prenant en compte deux mécanismes de transport de l’énergie est développé et permet de définir les paramètres importants de cette structure. Ces paramètres sont évalués pour différents matériaux d’après une description physique réaliste. Une analyse de stabilité en régime linéaire est ensuite réalisée au moyen de simulations numériques.

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Couplage de l’effet Landau avec l’amplification Raman Chocs Avancées 2009 / R. Belaouar (École Polytechnique, Palaiseau), T. Colin (LRC M03, Laboratoire de Mathématiques Appliquées, Université Bordeaux 1), G. Gallice (CEA - CESTA)

L’interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma est un phénomène physique complexe pour lequel la simulation numérique joue un rôle essentiel. Son étude constitue un champ d’investigation encore largement ouvert pour les mathématiques appliquées et l’analyse numérique fine. À titre d’exemple, nous nous intéressons ici à différents problèmes numériques soulevés par la simulation numérique du couplage entre l’amplification Raman et l’amortissement Landau.

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Édition 2007
Simulation numérique de la propagation laser avec le code HERA Chocs Avancées 2007 /R. SENTIS (CEA - DAM - Île-de-France)

Pour une bonne simulation numérique de l’interaction laser-plasma, il faut préalablement simuler proprement la propagation du laser, en tenant compte de la diffraction et de la réfraction à l’échelle de la longueur d’onde laser. Ici, nous considérons deux modélisations pour cette propagation : l’une avec l’équation des ondes fréquentielle ; l’autre avec des modèles de type paraxial

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Édition 2006
Modélisation des instabilités dans les plasmas du futur LMJ Chocs Avancées 2006 /P. LOISEAU, O. MORICE, D. TEYCHENNÉ, M. CASANOVA (CEA - DAM - Île-de-France), S. HÜLLER, D. PESME (CNRS - CPT École polytechnique)

La modélisation réaliste des instabilités paramétriques affectant la propagation des faisceaux lasers dans une cavité conçue pour le Laser MégaJoule (LMJ), en configuration d’attaque indirecte, constitue un défi majeur pour l’atteinte de l’ignition. La difficulté principale de cette modélisation réside dans le fait que le comportement de ces instabilités est sensible à de nombreux paramètres, en particulier à l’évolution hydrodynamique du plasma. La propagation du faisceau laser, en prenant en compte l’hydrodynamique complète du plasma et les instabilités, est réalisée via la plateforme HERA. Les premières études dans le cas d’un plasma inhomogène multidimensionnel ont mis en évidence une perte de cohérence des ondes transmises et rétrodiffusées, qui se traduit par un élargissement de l’ouverture de chacune de ces ondes.

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Les instabilités plasmas : un enjeu pour le LMJ Chocs Avancées 2006 / C. ROUSSEAUX, L. GRÉMILLET (CEA - DAM - Île de France), S. BATON (CNRS - LULI)

Le contrôle des instabilités plasmas constitue un défi important pour la réussite du confinement inertiel sur le Laser MégaJoule (LMJ). Il faut maîtriser ce phénomène, complexe à modéliser à cause de l'imbrication de l'hydrodynamique, des couplages d'ondes, et de la cinétique du plasma. Pour ne rien simplifier, les échelles de temps et d'espace associées au phénomène, la picoseconde et le micron, rendent difficiles les confrontations entre la théorie et l’expérience. Dans l'expérience décrite ici, nous présentons une mesure très complète, qui associe, pour la première fois, des rétrodiffusions Raman et Brillouin excitées par un laser picoseconde et diagnostiquées par diffusion Thomson, avec une résolution temporelle très fine de 0,4 ps. L’amélioration de la résolution, de deux ordres de grandeurs par rapport aux expériences précédentes, permet la confrontation directe avec les calculs numériques issus de codes particulaires bidimensionnels. À cette échelle de temps, la cinétique électronique est la source de saturation la plus rapide et la plus violente de la rétrodiffusion Raman. L’expérience et l’interprétation ont été réalisées en collaboration avec des équipes du CNRS - École polytechnique.

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Mise à jour : 22/09/2016